盾构机的构造与工作原理

• 1987年，上海市隧道工程公司承建市南站 过江电缆隧道工程，成功设计了我国第一 台直径4.35m加泥式土压平衡盾构掘进机， 由上海造船厂制造。
Ф4.35m土压盾构研制
• 该盾构能控制正面土压平衡和减少地面沉 降，施工速度快，掘进长度达583m，该技 术获得1990年国家科技进步一等奖。工程 于1988年1月开始盾构推进，9月推进结束 。
1828年1月12日泰晤土河水涌盾构机
• 1830年，英国的罗德发明“气压法”辅助 解决隧道涌水。 • 1866年，莫尔顿申请“盾构”专利。盾构最初 称为小筒（cell）或圆筒（cylinder），在莫 尔顿专利中第一次使用了“盾构”（shield） 这一术语。
1865年，英国的布朗首次采用圆形盾构和铸 铁管片，1869年用圆形盾构在泰吾士河下修 建外径2.2m的隧道。在地下水方面没遇到什 么困难。
• 据中国交通运输协会城市轨道交通专业委员分析 报告称： • 目前我国正处于轨道交通建设的繁荣时期，中国 已经成为世界上最大的城市轨道交通市场。国内 40多座百万人口以上的特大城市中，已经有30多 座城市开展了城市快速轨道的建设或建设前期工 作，约有15个大城市上报城市轨道交通网规划方 案，拟规划建设55条线路，长约1500km，总投资 5000亿元，其中“十一五”期间预计投资2000多 亿元，计划在2010年前建成的地铁线路长度超过 1200km。
• 1990年12月，上海市隧道工程公司承建的 上海合流污水治理工程6.1标过江隧道推进 施工。采用自己设计制造直径5.17m加泥式 土压平衡盾构。盾构自重190t,总推力 28800kN，总功率500kW。
直径5.17m加泥式土压平衡盾构
1994年10月，上海隧道工程股份有限公司采 用盾构法承建的南京第一条秦淮河治理工程 夹江隧道推进。 • 最具风险的是盾构推抵江中段，即钻入全 断面粉砂层中，该粉砂层上方没有其它土 层与夹江水间隔。 • 直径6.34m土压平衡盾构掘进机于1995年2 月5日顺利进入江心州接收井。
• 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢 质组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推 进。这个钢组件在初步或最终隧道衬砌建 成前，主要起防护开挖出的土体、保证作 业人员和机械设备安全的作用，这个钢质 组件被称为盾构。 • 盾构的另一个作用是能够承受来自地层的 压力，防止地下水或流沙的入侵。
• 2008年3月31日发布的《盾构法隧 道施工与验收规范》定义：盾构是 盾构掘进机的简称，是在钢壳体保 护下完成隧道掘进、拼装作业，由 主机和后配套组成的机电一体化设 备
盾构的分类
盾构的分类
• 为适应各种不同的土质，所以形成盾构的 种类繁多。按其构造特点和开挖方法，可 归纳为以下4类。
（2）平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年) ：
• 这一时期，随着改革开放和经济发展，地 铁建设也由服务于战备转为服务于经济发 展。继北京、天津修建地铁外，上海、广 州也相继修建了地铁工程。地铁施工技术 突破了原有浅埋明挖法的限制，盾构法施 工方法被引入地铁施工中。
• 1980年，上海开始进行盾构法隧道地铁试 验工程，采用直径6.412m网格式机械出土 盾构机施工。掘进长度为565m，采用泥水 加压和局部气压施工。 • 1980年11月开始地铁试验一期、二期盾构 推进，1982年12月推进结束； • 1983年6月开始地铁试验三期盾构推进， 1984年10月推进结束，隧道总长1130m。
• 此后，布鲁诺尔逐步完善了盾构结构的机 械系统，设计成用全断面螺旋式开挖的封 闭式盾壳，衬彻紧随其后的方式。
M.I.Brunel 螺旋盾构，1818
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• 1825 年，他第一次在伦敦泰晤土河下开始 用一个断面高 6.8m 、宽 11.4m，并由 12 个邻 接的框架组成的矩形盾构修建隧道。每一 个框架分成3个舱，每一个舱里有一个工人 ，共有36个工人。
布鲁诺尔注册专利的盾构
• 布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不 同的单元格组成，每一个单元格可容纳一 个工人独立工作并对工人起到保护作用。 采用的方法是将所有的单元格牢靠地装在 盾壳上。
• 当时设计了两种方法，一种是当一段隧道 挖完后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠 向前推进；另一种方法是每一个单元格能 单独地向前推进。 • 第一种方法后来被采用，并得到了推广应 用，演变为成熟的盾构法
1998年12月，中国第一条较长距离的水底观光游览隧道――上海外滩观 光隧道建成。采用国外二手直径7.65m铰接式土压平衡盾构施工。
• 隧道施工不仅工期短，还要在极大的坡度 和曲率的条件下，穿越地铁2号线的两条越 江隧道，观光隧道与地铁隧道间距离仅 1.57m，形成越江隧道施工中罕见的“三隧 叠交”，创造了中外越江隧道史上的奇迹， 实现了中国软土隧道施工史上的又一次飞 跃。
南京夹江隧道直径6.34m盾构掘进机
1992年6月，上海市承建上海地铁1号线上海火 车站～汉中路车站区间，采用盾构法隧道施工， 1993年4月全线贯通。 1993年8月，上海承建上海地铁1号线黄陂路
站～陕西路站区间隧道，1994年4月全线贯通。
与法国FCB公司合作设计制作的Φ6.34M土压平衡盾构机
• 1995年，我国开始研究矩形盾构隧道掘进 技术，1996年上海隧道工程股份有限公司 研制了一台2.5m×2.5m可变网格矩形隧道 掘进机，顶进矩形隧道60m，解决了推进轴 线控制、纠偏技术、沉降控制、隧道结构 等技术难题。
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1999年5月，上海隧道工程股份有限公司研制成功国内第一 台3.8m×3.8m矩形组合刀盘式土压平衡掘进机，在浦东陆 家嘴地铁车站掘进120m，建成两条过街人行地道。
2 掘进机的分类
• 掘进机种类繁多，根据不同的参照标准有不同的 分类方法，如： • 按一次开挖断面占全部断面的份额分：全断面、 部分断面。 • 按开挖断面的形状分：圆型断面、非圆型断面。 • 按开挖的洞线分：平洞、斜洞、竖井。 • 按掘进机的头部形状分：刀盘式、护盾式 • 按掘进机是否带有盾壳分：敞开式、护盾式。 • 按掘进机的盾壳的数量分：单护盾、双护盾。 • 按掘进机机体与推进机构是联合一体还是分成二 部分：整机式、分体式。
• 1917年，日本引进盾构施工技术，是欧美 国家以外第一个引进盾构法的国家。 • 1963年，土压平衡盾构首先由日本Sato Kogyo公司开发出来。
1963年Sato Kogyo公司土压平衡盾构
• 1974年第一台土压平衡盾构在东京被采用 。该盾构由日本制造商IHI（石川岛播磨） 设计，其外径3.72m，掘进了1900m的主管 线。 • 在以后的年代里，很多厂商以土压盾构、 压力保持盾构、软泥盾构、土壤压力盾构 、泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构”。 所有这些名称的盾构都应有了同一种工法 国际上称为“土压平衡系统”（EPBS）。
2、我国盾构机的发展历程
• 纵观我国盾构法隧道的发展历程，大体上 可以分为三个阶段： • 起步阶段(20世纪60年代-80年代初)； • 平稳发展阶段(20世纪80年代中-2000年)； • 快速发展阶段。
（1）起步阶段(20世纪60年代-80年代初)：
• 1962年2月，我国上海市城建局隧道处开始 塘桥试验隧道工程。采用直径4.16m的一台 普通敞胸盾构在两种有代表性的地层下进 行掘进试验，用降水或气压来稳定粉砂层 及软粘土地层。选用由螺栓连接的单层钢 筋混疑土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油 作为接缝防水材料。试验获得成功，采集 了大量盾构法隧道数据资料。
• 1 掘进机的定义确定了以下作为掘进机的必 要条件。 • 1.1 能量要求：必须是用机械能破碎隧道掌 子面。主要表现形式是由机械能通过刀具 挤裂岩石。这完全区别于钻爆法用炸药的 化学能破碎岩石的机理和方法。 • 1.2 作业范围：破碎范围仅对隧道的掌子面。 保持范围为预期的洞线、洞型。 • 1.3 作业对象：开挖的对象是隧道掌子面的 物质。
• 布鲁诺尔发明盾构法之后的另一个技术进 步是用机械开挖代替人工开挖。第一个机 械化盾构专利是1876年英国人约翰· 荻克英 森· 布伦敦和姬奥基· 布伦敦申请的。 • 这台盾构有一个由几块板构成的半球形的 旋转刀盘，开挖的土料落入径向装在刀盘 上的料斗中，料斗将渣料转运至胶带输送 机上，再将它转运到后面从盾构中运出， 这一构想后来被用于修建地铁隧道工程。
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• 1999年6月，深圳开埠以来第一台地铁盾构 开始掘进益田～香蜜湖区间隧道。此项目 由深圳地铁有限公司建设，由上海隧道工 程股份有限公司设计、施工总承包。
深圳地铁一号线引进2台三菱和1台 小松制造的Ø6.20m复合型土压盾构
（3）快速发展阶段： • 进入21世纪，随着国家经济、技术的迅猛发展为 地铁建设带来了重大机遇，同时也为盾构技术应 用和发展提供了广阔的平台和空间。 • 国家有关部门已经规定人口在300万以上、GDP值 在1000亿以上、年财政收入在100亿以上的城市可 以建地铁。
小松：主要在上海、北京、沈阳、西安使用。 三菱：主要在上海、北京、天津、沈阳、广州、 南京、深圳使用。 海瑞克：主要在北京、天津、广州、深圳、成都 、南京、沈阳使用。 维尔特：在广州、深圳使用，法码通、FCB在上海 使用。 川崎、石川岛：在上海、天津、北京使用。
二、盾构机概述
• 盾构机是掘进机的一种类型。 • 掘进机的定义是：用机械能破碎隧道掌子 面、随即将破碎物质连续向后输出并获得 预期的洞型、洞线的机器。
1989年，日本最引人注目的泥水盾 构隧道工程开工。东京湾海底隧道 长10km，是世界最长公路专用海底 隧道，用八台直径14.14m泥水加压
式盾构施工。
日本东京湾海底隧道盾构机示意图
日本东京湾海底隧道泥水式盾构机
1992年，日本研制成世界上第一台三圆泥水加压式盾构，并成功地用于 大阪市地铁7号线“商务公园站”车站工程施工。
• 1874年，工程师格瑞海德发现在强渗水性 的地层中很难用压缩空气支撑隧道工作面 ，因此开发了用液体支撑隧道工作面的盾 构，通过液体流，以泥浆的形式出土。 • 1886年，格瑞海德在伦敦地下施工中将压 缩空气方法与盾构掘进相组合使用，在压 缩空气条件下施工，标志着在承压水地层 中掘进隧道的一个重大进步，20世纪初， 大多数隧道都是采用格瑞海德盾构法修建 的。
• 此系统按照以下模式工作： • 首先，借助螺杆将鞍型框架压入前方的土 中。从上部撤除隧道工作面上的木料并掘 土6英寸，然后，隧道工作面重新用木料覆 盖并用螺杆支撑，紧接着盾构后部砌砖， 把它作为整个机架的支座。
第一条隧道施工的盾构机
• 泰晤士河下的隧道工程施工期间遇到了许 多困难，在经历了五次以上的特大洪水后 ，直到1843年，经过18年施工，完成了全 长458m的第一条盾构法隧道。
• 1.4 出碴时间要求：掌子面物质破碎后随即 连续向后输出，在出碴的时间上特别强调 了随即性和连续性，掘进机实现了边掘进 边出碴同时连续作业。区别于钻爆法和人 工掘洞时将开挖和出碴分成二个在不同的 时间进行的工序。 • 1.5 洞线要求：必须配置精确的导向装置以 确保开挖的洞线满足设计预期的要求。 • 1.6 洞型要求：必须能开挖出满足预期要求 的隧道形状和尺寸，并配置相应的支护和 衬砌设备以保持所需洞型的稳定。
• 目前已有成熟盾构施工经验的城市主要分 布在长三角、珠三角和环渤海湾地区。如 广州、深圳、上海、南京、北京、天津。 近两年已开始盾构施工的有沈阳、成都、 西安、杭州、武汉等。据有关信息宁波、 无锡等都将修建城市地铁。 • 并且在越江道路、输气和市政排水隧洞等 工程中广泛采用盾构法施工。
盾构机的分布情况
盾构机的构造与工作原理
内容
一、盾构法隧道的起源及发展史 二、盾构机的概述 三、盾构机的构造 四、盾构机的工作原理
一、盾构法隧道的起源及发展史
1、国外盾构法隧道的起源及发展史
• 1818 年，法国的布鲁诺尔 (M.I.Brune1) 从 蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法 建设隧道的设想，并在英国取得了专利。